圆管法制备特定填充率三元合金粉芯丝材的配材方法
技术领域
本发明涉及一种增材制造用材的制备方法，尤其是一种三元合金粉芯丝材的配材方法，具体地说是一种圆管法制备特定填充率三元合金粉芯丝材的配材方法。
背景技术
金属增材制造，是基于离散-堆积原理并由零件三维数据驱动直接制造金属零件的一种先进制造技术。目前，金属增材制造用材料主要包括粉末和丝材，丝材又可以分为实心丝材和粉芯丝材。其中，粉芯丝材是一种用金属管材或带材包裹填充粉末并拉拔成一定直径的新型材料，其不仅避免了使用粉末增材制造时所存在的粉末材料利用率低等缺点，也避免了使用实心丝材增材制造时所需能量较高而导致制件形性控制较难等不足，是一类极具发展前景的增材制造用材。
粉芯丝材制备方法主要有两种，即圆管法和带包法。这两种方法最大的区别在于圆管法是以空心圆管作为外皮，而带包法则是以金属带作为外皮。圆管法(图1)相对于带包法而言，其制备的是无缝型粉芯丝材即其不易吸潮，这对于有低氢高韧要求的场合极为重要。填充率是粉芯丝材品质的一个重要指标，其指的是粉末在丝材中的质量占比。作为粉芯丝材区别于粉末和实心丝材最大的结构特点，填充率的大小关系到粉末和金属外皮的冶金过程，进而会对增材制造工艺产生影响；同时，填充率的稳定性，即填充率在丝材长度方向上的一致性，将直接影响成型材料的成分组织性能。然而，在圆管法制备粉芯丝材过程中，目前对填充率难以控制尤其是难以同时兼顾丝材成分和填充率。比如，根据丝材成分选择圆管和粉芯后，当圆管规格确定、填充粉末种类及配比确定，其填充率就也确定了，而这种情况下往往多数无法达到预期的填充率；要想同时兼顾丝材成分和填充率，则需要特别定制管材，无疑增加了粉芯丝材制备的难度和成本。
综述可见，目前由于填充率难以控制，造成粉芯丝材的品质尚不够理想，进而一定程度上影响了其广泛应用。
发明内容
本发明的目的是针对圆管法制备粉芯丝材中难以同时兼顾丝材成分和填充率的问题，发明一种圆管法制备特定填充率三元合金粉芯丝材的配材方法。
本发明的技术方案是：
一种圆管法制备特定填充率三元合金粉芯丝材的配材方法，其特征是以xA-yB-zC(其中，x、y、z分别为元素A、B、C的质量分数)三元合金中元素含量最高的A元素作为圆管外皮，元素B和C以及扣除外皮质量之外的元素A作为粉芯，按照“等质量、等体积”的原则，即元素B和C以及扣除外皮质量之外元素A三者的混合粉恰好能够填满元素A圆管外皮的内腔进行配材。
具体的配材包括如下步骤：
第一步：根据所需制备粉芯丝材的总质量Q、理论填充率为α、以及A、B、C三种元素的质量配比关系x、y、z，计算出元素B和C以及扣除外皮质量之外的元素A三种粉末的质量；
第二步：按照第一步计算出的结果称量元素A、B、C三种粉末，将其混合测出混合粉的松装密度ρ粉；
第三步：查询市场上有关元素A已有管材内径规格，选取一种管材内径d，将管材内径d、元素A管材理论密度ρA、第二步测出的混合粉松装密度ρ粉和第一步求出的三种元素粉末质量带入到式1和式2中，消掉管材长度l，可得到管材壁厚h，将计算出的管材壁厚h与市场上已有管材壁厚对比并进行圆整；
Q＝ρA·l·π(h+d)+MA粉+MB粉+MC粉 (1)
式中MA粉为元素A粉末的质量，MB粉为元素B粉末的质量，MC粉为元素C粉末的质量；
第四步：在元素B和C粉末质量不变的情况下，改变元素A粉末的质量，建立混合粉松装密度ρ粉和元素A粉末质量间的实际关系曲线；
第五步：将式(1)和式(2)变形，同时代入已确定的管材内径d、元素A管材理论密度ρA、第一步求出的元素B和C粉末质量和第三步确定的管材壁厚h，可得出混合粉松装密度ρ粉和元素A粉末质量间的理论关系曲线；
第六步：将第四步和第五步获得的两天曲线绘制在以混合粉松装密度ρ粉为纵坐标、元素A粉末质量为横坐标的同一张图中，根据两条曲线的交点坐标可得到制备总质量为Q、填充率为α的粉芯丝材时所需元素A粉末最终质量和所对应的混合粉松装密度；
第七步：根据式(1)或式(2)，计算出所需元素A管材长度l，完成配材。
所述配材步骤中第三步，也可以先确定管材的壁厚h，再确定管材内径d。
所述元素A管材和粉末、元素B和C粉末，其纯度不低于99.9％。
所述元素A管材的内径d和壁厚h均为市购管材规格。
所述测量混合粉松装密度ρ粉时所采用的粉末混合方法，最好为研磨，研磨时间不少于30分钟。
所述建立混合粉松装密度ρ粉和元素A粉末质量间的实际关系曲线时，先采用实验建立折线图，实验中所采用的元素A粉末质量不少于5种；然后，采用MATLAB软件拟合出函数曲线。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
本发明的有益效果：
(1)本发明创造性地为以市场容易获得的管材规格为基础采用圆管法制备特定填充率三元合金粉芯丝材提供了一种简便易行的配材方法，解决了为满足同时兼顾丝材成分和填充率时需定制管材等的难题。
(2)本发明所述圆管法制备特定填充率三元合金粉芯丝材的配材方法，在保证粉芯丝材成分满足要求的前提下其实际填充率与理论填充率极为吻合，相对误差不超过10％；同时，以该配材方法制备出的粉芯丝材，填充率具有很好的稳定性。
(3)本发明所述圆管法制备特定填充率三元合金粉芯丝材的配材方法，可延拓至四元及以上多元合金粉芯丝材制备，具有同样效果。
附图说明
图1是圆管法制备粉芯丝材工艺过程示意图；
图2是本发明所述实施例二的混合粉密度与铜粉质量关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。
如图1-2所示。
实施例一。
一种圆管法制备特定填充率三元合金粉芯丝材的配材方法，其关键是以xA-yB-zC(其中，x、y、z分别为元素A、B、C的质量分数，x、y、z三者之和为100％)三元合金中元素含量最高的A元素作为圆管外皮，元素B和C以及扣除外皮质量之外的元素A作为粉芯，按照“等质量、等体积”的原则，即元素B和C以及扣除外皮质量之外元素A三者的混合粉恰好能够填满元素A圆管外皮的内腔进行配材，具体地配材步骤包括如下：第一步：根据所需制备粉芯丝材的总质量Q、理论填充率为α、以及A、B、C三种元素的质量配比关系x、y、z，计算出元素B和C以及扣除外皮质量之外的元素A三种粉末的质量；第二步：按照第一步计算出的结果称量元素A、B、C三种粉末，将其混合测出混合粉的松装密度ρ粉；第三步：查询市场上有关元素A已有管材内径规格，选取一种管材内径d，将管材内径d、元素A管材理论密度ρA、第二步测出的混合粉松装密度ρ粉和第一步求出的三种元素粉末质量带入到式1和式2中，消掉管材长度l，可得到管材壁厚h，将计算出的管材壁厚h与市场上已有管材壁厚对比并进行圆整；第四步：在元素B和C粉末质量不变的情况下，改变元素A粉末的质量，建立混合粉松装密度ρ粉和元素A粉末质量间的实际关系曲线；第五步：将式(1)和式(2)变形，同时代入已确定的管材内径d、元素A管材理论密度ρA、第一步求出的元素B和C粉末质量和第三步确定的管材壁厚h，可得出混合粉松装密度ρ粉和元素A粉末质量间的理论关系曲线；第六步：将第四步和第五步获得的两条曲线绘制在以混合粉松装密度ρ粉为纵坐标、元素A粉末质量为横坐标的同一张图中，根据两条曲线的交点坐标可得到制备总质量为Q、填充率为α的粉芯丝材时所需元素A粉末最终质量和所对应的混合粉松装密度；第七步：根据式(1)或式(2)，计算出所需元素A管材长度l，完成配材。
Q＝ρA·l·π(h+d)+MA粉+MB粉+MC粉 (1)
所述配材步骤中第三步，也可以先确定管材的壁厚h，再确定管材内径d；所述元素A管材和粉末、元素B和C粉末，其纯度不低于99.9％；所述元素A管材的内径d和壁厚h均为市购管材规格；所述测量混合粉松装密度ρ粉时所采用的粉末混合方法，最好为研磨，研磨时间不少于30分钟；所述建立混合粉松装密度ρ粉和元素A粉末质量间的实际关系曲线时，先采用实验进行数据点采集，且实验中所采用的元素A粉末质量不少于5种；然后，采用MATLAB软件拟合出函数曲线。
实施例二。
下面以制备总质量15g、理论填充率为20％的82Cu-14Al-4Ni形状记忆合金粉芯丝材做进一步说明。
第一步，根据粉芯丝材的总质量和理论填充率，计算出所需Cu粉、Al粉和Ni粉，本例中总质量15g、理论填充率为20％，即所填充粉末的理论质量为3g，其中Al的质量分数为14％，故需填充Al粉的质量为15g×0.14＝2.1g，同理需填充Ni粉的质量为15g×0.04＝0.6g，用所填充粉末的理论质量3g减去需填充Al粉和Ni粉的质量，即可得到需填充的Cu粉质量为0.3g；第二步，称量纯度为99.9％的Cu粉、Al粉和Ni粉各0.3g、2.1g和0.6g，研磨1小时后测量混合粉的松装密度ρ粉为1.922g/cm3；第三步，根据市场上铜管规格(纯度为99.95％)，选定铜管内径d为0.3cm，计算出管材壁厚h为0.055cm，根据市场上铜管规格，将管材壁厚h圆整为0.05cm；第四步，在Al粉和Ni粉质量不变的情况下，改变Cu粉的质量，研磨混粉后测量混合粉的松装密度(表1)，采用MATLAB软件拟合出混合粉松装密度ρ粉和元素A粉末质量间的实际关系曲线；第五步，计算混合粉松装密度ρ粉和Cu粉质量间的理论关系式(3)；第六步，将第四步和第五步获得的两条曲线绘制在以混合粉松装密度ρ粉为纵坐标、Cu粉质量为横坐标的同一张图中(图2)，根据两条曲线的交点坐标可得到Cu粉最终质量为0.579g，所对应的混合粉松装密度ρ粉＝1.947g/cm3；最后，计算得出铜长度l＝23.826cm，完成配材。
表1M铜粉与ρ粉关系表
经测量，所制备粉芯丝材的实际填充率为21.86％，相对于理论填充率20％而言，其相对误差仅为9.3％，同时所制备粉芯丝材的填充率在不同处几乎没有差别，即填充率具有很好的稳定性。
同理，制备理论填充率为30％和40％时的配材方案如表2所示，同样获得了本发明所述效果。
表2不同填充率的粉芯丝材制备参数
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
